Zasady techniczne i procesy produkcji płytek epitaksjalnych LED

Zasada działania diod LED jasno wskazuje, że materiał płytki epitaksjalnej jest rdzeniem diody LED. W rzeczywistości kluczowe parametry optoelektroniczne, takie jak długość fali, jasność i napięcie przewodzenia, są w dużej mierze uzależnione od materiału epitaksjalnego. Technologia i sprzęt do produkcji płytek epitaksjalnych mają kluczowe znaczenie dla procesu produkcyjnego, a osadzanie metali i związków organicznych metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej (MOCVD) jest podstawową metodą wytwarzania cienkich warstw monokrystalicznych związków III-V, II-VI i ich stopów. Poniżej przedstawiono kilka przyszłych trendów w technologii płytek epitaksjalnych LED.

1. Ulepszenie procesu wzrostu dwuetapowego

Obecnie w produkcji komercyjnej stosuje się dwuetapowy proces wzrostu, ale liczba podłoży, które można załadować jednocześnie, jest ograniczona. Podczas gdy systemy 6-waflowe są dojrzałe, maszyny obsługujące około 20 wafli są wciąż w fazie rozwoju. Zwiększenie liczby wafli często prowadzi do niewystarczającej jednorodności warstw epitaksjalnych. Przyszły rozwój będzie koncentrował się na dwóch kierunkach:

• Opracowywanie technologii umożliwiających załadowanie większej liczby substratów do pojedynczej komory reakcyjnej, co czyni je bardziej odpowiednimi do produkcji na dużą skalę i redukcji kosztów.
• Rozwój wysoce zautomatyzowanego, powtarzalnego sprzętu do produkcji pojedynczych płytek.

2. Technologia epitaksji gazowej wodorków (HVPE)

Technologia ta umożliwia szybki wzrost grubych warstw o niskiej gęstości dyslokacji, które mogą służyć jako podłoża do wzrostu homoepitaksjalnego innymi metodami. Ponadto, warstwy GaN oddzielone od podłoża mogą stać się alternatywą dla monokrystalicznych chipów GaN. HVPE ma jednak wady, takie jak trudności z precyzyjną kontrolą grubości oraz obecność żrących gazów reakcyjnych, które utrudniają dalszą poprawę czystości materiału GaN.

HVPE-GaN domieszkowany krzemem

(a) Struktura reaktora HVPE-GaN domieszkowanego krzemem; (b) Obraz HVPE-GaN domieszkowanego krzemem o grubości 800 μm;

(c) Rozkład koncentracji nośników swobodnych wzdłuż średnicy HVPE-GaN domieszkowanego Si

3. Technologia selektywnego wzrostu epitaksjalnego lub bocznego wzrostu epitaksjalnego

Technika ta może dodatkowo zmniejszyć gęstość dyslokacji i poprawić jakość kryształów warstw epitaksjalnych GaN. Proces obejmuje:

• Osadzanie warstwy GaN na odpowiednim podłożu (szafirze lub SiC).
• Nakładanie warstwy maski polikrystalicznego SiO₂ na wierzch.
• Wykorzystanie fotolitografii i trawienia do tworzenia okien GaN i pasków masek SiO₂.W trakcie dalszego wzrostu GaN najpierw rośnie pionowo w oknach, a następnie bocznie na paskach SiO₂.

Wafel GaN na szafirze firmy XKH

4. Technologia pendeo-epitaksji

Ta metoda znacząco redukuje defekty sieci krystalicznej spowodowane niedopasowaniem sieci krystalicznej i termicznym między podłożem a warstwą epitaksjalną, co dodatkowo poprawia jakość kryształu GaN. Etapy obejmują:

• Wzrost warstwy epitaksjalnej GaN na odpowiednim podłożu (6H-SiC lub Si) przy użyciu dwuetapowego procesu.
• Wykonywanie selektywnego trawienia warstwy epitaksjalnej aż do podłoża, tworzenie naprzemiennych struktur filarowych (GaN/bufor/podłoże) i rowkowych.
• Powstają dodatkowe warstwy GaN, które rozciągają się poprzecznie od ścian bocznych oryginalnych filarów GaN zawieszonych nad rowkami.Ponieważ nie stosuje się maski, unika się kontaktu GaN z materiałami maski.

Wafel GaN-na-krzemie firmy XKH

5. Rozwój materiałów epitaksjalnych na diody LED UV o krótkiej długości fali

Stanowi to solidną podstawę dla białych diod LED opartych na fosforze wzbudzanych promieniowaniem UV. Wiele wysokowydajnych fosforów można wzbudzić światłem UV, co zapewnia wyższą wydajność świetlną niż obecny system YAG:Ce, a tym samym poprawia wydajność białych diod LED.

6. Technologia chipów Multi-Quantum Well (MQW)

W strukturach MQW, podczas wzrostu warstwy emitującej światło, domieszkuje się różnymi domieszkami, tworząc zróżnicowane studnie kwantowe. Rekombinacja fotonów emitowanych z tych studni bezpośrednio generuje białe światło. Metoda ta poprawia wydajność świetlną, obniża koszty oraz upraszcza obudowę i sterowanie obwodami, choć wiąże się z większymi wyzwaniami technicznymi.

7. Rozwój technologii „Recyklingu Fotonów”

W styczniu 1999 roku japońska firma Sumitomo opracowała białą diodę LED wykorzystującą materiał ZnSe. Technologia ta polega na narastaniu cienkiej warstwy CdZnSe na monokrystalicznym podłożu ZnSe. Po naelektryzowaniu warstwa emituje niebieskie światło, które oddziałuje z podłożem ZnSe, wytwarzając komplementarne żółte światło, dając w efekcie światło białe. Podobnie, Centrum Badań Fotoniki Uniwersytetu Bostońskiego ułożyło półprzewodnik AlInGaP na niebieskiej diodzie GaN, aby wygenerować białe światło.

8. Przepływ procesu produkcji płytek epitaksjalnych LED

① Produkcja płytek epitaksjalnych:
Podłoże → Projekt strukturalny → Wzrost warstwy buforowej → Wzrost warstwy GaN typu N → Wzrost warstwy emitującej światło MQW → Wzrost warstwy GaN typu P → Wyżarzanie → Testowanie (fotoluminescencja, promienie X) → Płytka epitaksjalna

② Produkcja chipów:
Płytka epitaksjalna → Projektowanie i wytwarzanie masek → Fotolitografia → Trawienie jonowe → Elektroda typu N (osadzanie, wyżarzanie, trawienie) → Elektroda typu P (osadzanie, wyżarzanie, trawienie) → Cięcie → Kontrola i stopniowanie scalonych powierzchni.

Wafel GaN-na-SiC firmy ZMSH